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文档简介
1、 第十四届“恩智浦”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告学校:河海大学队伍名称:逸风队参赛队员:张志兴、洪明辉、汪鑫林带队教师:褚福涛、吕国芳 II 摘 要本文以第十四届“恩智浦”杯智能车比赛为背景,根据比赛相关要求,并结合团队的实践成果,详细地介绍了河海大学逸风队队员们在准备第十四届“恩智浦”杯智能车大赛过程中的工作成果。提出了基于磁导航的车辆控制系统设计方案,并阐述了系统工作原理。在此基础上,分模块详细介绍了系统硬件电路的设计与实现,主要包括:赛道信息采集模块、电源管理模块、单片机控制模块、速度检测模块、距离检测模块、角度检测模块、辅助调试模块、电机驱 动模块,共八大模块,以及对车模的结构优化
2、思路。 关键字:恩智浦、磁导航、智能车III 目录摘 要III第一章 引言11.1课题研究背景及意义11.2智能车发展概况11.3智能车主要关键技术31.3.1车辆定位技术31.3.2车辆控制技术41.4恩智浦智能车比赛简介4第二章 智能车设计分析52.1 设计要求52.2 总体设计52.3 方案论证72.3.1 传感器设计方案72.3.2 H 桥式驱动实现方案的选择72.3.3 控制算法选择82.3.4 速度控制8第三章 智能车机械设计93.1 车模信息93.1.1 模型车套装93.1.2 马达信息93.1.3 轮胎信息93.2 车模机械结构93.2.1齿轮传动机构调整93.3 车模结构10
3、3.3.1 车模结构特点10IV 3.3.2 系统电路板的固定及连接10第四章 智能车硬件设计114.1 主控制器模块114.2 电源管理模块124.2.1 +5V 电源模块124.3 电机驱动134.4 速度传感器模块134.5.1速度传感器的选型144.5 距离检测模块154.6 角度检测模块154.7 电磁传感器模块154.7.1设计原理154.7.2电路设计原理184.8 硬件电路 PCB 设计244.8.1 经典 EMC 理论244.8.2 系统 PCB 设计简介25第五章 智能车软件设计275.1 输入量检测与计算275.1.1 车速检测275.1.2 小车位置检测275.2 道路
4、信息采集策略275.3 策略与控制量计算285.3.1 转向控制(PD)285.3.2 车速控制(PID)285.3.3 直立控制(PD)28第六章 开发工具、制作调试过程316.1 开发工具31V 6.2 制作调试过程31第七章 总结337.1 问题和改进方向33参考文献35致 谢37附录 程序源代码35VI 第一章 引言1.1课题研究背景及意义智能汽车就是一种无人驾驶汽车,也可以称之为轮式移动机器人,主要依 靠车内以计算机系统为主的智能驾驶仪来实现无人驾驶。它一般是利用车载传 感器来感知车辆周围环境,并根据感知所获得的道路、车辆位置和障碍物信息,控制车辆的转向和速度,从而使车辆能够安全、可
5、靠地在道路上行驶。无人驾 驶汽车从根本上改变了传统的“人一车一路”闭环控制方式,将不可控的驾驶 员从该闭环系统中请出去,从而大大提高了交通系统的效率和安全性。现代无 人驾驶汽车以汽车工业为基础,以高科技为依托,遵循由低到高、由少到多、 由单方面到多方面、螺旋上升的规律发展。其横向发展离不开各种用途的实际 需要,而其纵向发展的生命力在于持续不断的技术创新。1.2智能车发展概况部分国家从 20 世纪 70 年始进行无人驾驶汽车研究,目前在可行性和实用性方面,美国和德国走在前列。我国在无人驾驶汽车的开发方面要比国外 稍晚,但是经过不懈努力也取得了丰硕的成果。在 20 世纪 80 年代,美国就提出自主
6、地面车辆(ALV)计划,这是一辆 8 轮车, 能在校园的环境中自主驾驶,但车速不高。1995 年,一辆由美国卡耐基梅隆大学研制的无人驾驶汽车 NavlabV,完 成了横穿美国东西部的无人驾驶试验。在全长 5000 km 的美国州际高速公路上,整个实验 96以上的路程是车辆自主驾驶的,车速达 5060 kmh。尽管这次实验中的NavlabV 仅仅完成方向控制,而不进行速度控制(油门及档位由车上的参试人员控制),但这次实验已经让世人看到了科技的神奇力量。 2005 年,美国国防部“大挑战”比赛上,最终由美国斯坦福大学工程师们改装的一辆大众途锐多功能车经过 7 个半小时的长途跋涉完成了全程障碍赛,
7、1 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告第一个到达了终点。在赛道上,无人驾驶汽车需要穿越沙漠、通过的隧道、越过泥泞的河床并需要在崎岖险峻的山道上行使,整个行程无人驾驶汽车需要 绕过无数个障碍。在无人驾驶技术研究方面位于世界前列的德国汉堡 Ibeo 公司,最近推出了其研制的无人驾驶汽车。这辆无人驾驶智能汽车由德国大众汽车公司生产的帕萨特 20 改装而成,外表看来与普通家庭汽车并无差别,但却可以在错综复杂的城市公路系统中实现无人驾驶。行驶过程中,车内安装的全球定位仪随时获 取汽车所在准确方位的信息数据。隐藏在前灯和尾灯附近的激光扫描仪是汽车 的“眼”,它们随时“观察”汽车周围约 183 m 内
8、的道路状况,构建三维道路 模型。除此之外,“眼”还能识别各种交通标识,如速度限制、红绿灯、车道 划分、停靠点等,保证汽车在遵守交通规则的前提下安全行驶。最后由无人驾 驶汽车的“脑”安装在汽车后备厢内的计算机,将两组数据汇合、分析, 并根据结果向汽车传达相应的行驶命令。多项先进科技确保这款无人驾驶汽车 能够灵活换档、加速、转弯、刹车甚至倒车。在茫茫车海和人海中,它能巧妙 避开建筑、障碍、其他车辆和行人,从容前行。我国在无人驾驶汽车的开发方面要比国外稍晚。国防科技大学从 20 世纪 80年始进行该项技术研究。1989 年,我国首辆智能小车在国防科技大学诞生, 这辆小车长 100 cm、宽 60 c
9、m、重 175 kg,有 3 个,前轮是一个导向轮,后 边有两个驱动轮。它包含了自动驾驶仪、计算机体系结构、视觉及传感器系统、定位定向系统、路径规划及运动控制系统,还有无线电通信、车体结构及配电 系统。1992 年,国防科技大学研制成功了我国第一辆真正意义上的无人驾驶汽 车。由计算机及其配套的检测传感器和液压控制系统组成的汽车计算机自动驾 驶系统,被安装在一辆国产的中型面包车上,使该车既保持了原有的人工驾驶 性能,又能够用计算机控制进行自动驾驶行车。2000 年 6 月,国防科技大学研制的第 4 代无人驾驶汽车试验成功,最高时速达 76 km,创下国内最高。其 智能控制系统主要由 3 部分组成
10、:传感器系统、自动驾驶仪系统和主控计算机2 第一章 引言系统。由上海和欧盟科学家合作的中国城市交通中的无人驾驶技术(Cyberc3)项目 取得了阶段性成果,首辆城市无人驾驶车在上海交通大学研制成功。“无人驾 驶技术”主要依靠车上的 5 个“器官”来保证。首先是位于车头上的俯视摄像 头,它是车辆的“眼睛”,能够准确识别地上的白线,从而判断前进方向。在 “眼睛”的一旁,一个凸出车头的激光雷达就像车辆的“鼻子”,随时“嗅” 着前方 80 m 范围内车辆和行人的“气息”。而在车辆的左右两侧,两只超声传 感器就像车辆的“耳朵”,倾听着四面八方的声音。除了用“眼睛”指挥前进 外,该车还可以通过另一种方式用
11、一只无形的“手”来感知地面的磁性物 体,从而判断前进方向,而这只“手”就是位于车头底部的磁传感器。但这种 方法需要在车辆运行的道路上埋入磁钉。最后的“器官”便是车辆的“脑”了,位于远处的遥控指挥中心是车辆的“大脑”,通过无线传输向车辆下达特殊指 令;而车辆内部的计算机则是它的“小脑”,通过汇聚“眼睛”、“鼻子”、 “耳朵”、“手”所得到的信息来避开周围车辆和行人。再配合程序中设计好 的各景点的位置,无人驾驶车便能顺利地将乘客送到他们想去的地方。1.3智能车主要关键技术无人驾驶汽车开发的主要技术有两个方面:车辆定位和车辆控制技术。这 两方面相辅相成共同构成无人驾驶汽车的基础。1.3.1车辆定位技
12、术车辆定位技术是无人驾驶汽车行驶的基础。目前主要的定位技术有电缆导 航、电磁导航、激光导航、GPS 导航。(1) 电磁传感器导航技术要点 该技术的实现方法是在车辆将要经过的道路下埋设磁铁(每个相距一定的 间隔)。当车辆经过磁铁时,可以对位置进行检测和校正。这项技术的优点是 可以减低对基础设施的要求,但是车体的制造费用将会提高。也可以通过软件 3 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告对智能车辆的运行轨道进行调整,因为并不要求轨迹通过每个磁铁。(2) 电磁传感器导航优缺点电磁导航是目前最成熟可靠的方案,现大多数均采用这种导航技术。磁导 航最大的优点是不受天气等自然条件的影响,即使风沙或大雪埋没
13、路面也一样 有效,而且便于维护。另外,通过变换磁极朝向进行编码,可以向车辆传输道 路特性信息,诸如位置、方向、曲率半径、下一个道路出口位置等信息。但是,磁导航方法往往需要在道路上埋设一定的导航设备(如磁钉或电线),系统实施过程比较繁琐,且不易维护,变更运营线路需重新埋设导航设备。1.3.2车辆控制技术车辆控制技术是无人驾驶汽车的核心,主要包括速度控制和方向控制等几 个部分。无人驾驶其实就是用电子技术控制汽车进行的仿人驾驶。通过对驾驶 员的驾驶行为进行分析可知,车辆的控制是一个典型的预瞄控制行为,驾驶员 找到当前道路环境下的预瞄点,根据预瞄点控制车辆的行为。目前最常用的方 法是经典的智能 PID
14、 算法,例如模糊 PID、神经网络 PID、专家 PID 等。1.4恩智浦智能车比赛简介教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养,在已举办全国 大学生数学建模、电子设计、机械设计、结构设计四大竞赛的基础上决定委托 教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办每年一度的全国大学生智能 汽车竞赛。比赛由国家教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办,恩智浦半导体公司协办。由组委会提供统一的车模和单片机,要求各参赛队在不改变车模 的底盘结构的前提下,通过选择适当的检测方案和控制算法,使车模能够在专 门设计的跑道上自主地识别路线行驶,单圈行驶时间最短的赛车获胜。参赛队 伍必须仔细研究车模的
15、数学模型以及其控制方案,最终能将车模的性能尽可能 多地发挥出来。4 第二章 智能车设计分析2.1 设计要求在规定的车模平台基础上,制作一个可以通过感应由道路中心 20KHz 2KHz,100mA 电流产生的交变磁场进行路径检测并能在跑道上自动识别道路行驶。赛车放置在起跑区域内赛道上,至少静止两秒钟后会自动启动。跑完一圈后赛车自动停止在起始线之后三米之内的赛道内。 为了取得较好的成绩,小车必须以尽可能高的速度完成比赛,这就要求小 车的赛道信息采集模块要有足够的前瞻性和必要的准确性、转向控制模块与电机驱动模块能够在具有较高的稳定性的前提下尽可能提高车速。考虑到小车转矩大小以及传感器串道等情况,电磁
16、传感器无法进行有效的前瞻观测,因此这就要求传感器对当前路径的判断要快速而准确判断。为了在小前瞻的情况保证高速且不冲出赛道,这就要求电机驱动模块要有良好的加速与制动性能。智能汽车使用镍镉电池组作为电源供给,而系统中各个模块的额定电压不同,因此应该通过电源管理模块进行合理控制,最大限度地发挥电池的驱动能力,并合理的运用隔离技术,为系统的各个模块提供稳定的电力供给。最后为了使整个智能车系统达到较高的性能,需要对各个模块进行合理设计,使各个部分有机统一起来,高效协调的工作。2.2 总体设计本智能车系统主要包括七大模块:电源管理模块、单片机控制模块、赛道信息采集模块、速度检测模块、转向控制模块、电机驱动
17、模块、辅助调试模块。 系统各个组成部分的主要功能如图 2.1: 电源管理模块:主要提供系统各模块正常工作所需要的电源。稳定、高效的电源模块是系统正常工作的基础。 单片机控制模块:本系统采用由恩智浦公司生产的 MK66 单片机作为系统的控制核心,它负责控制各个模块间的协调工作,主要接收来自赛道信息采集模块的赛道信 5 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告息和速度检测模块反馈的速度信息,通过对这些信息进行恰当的处理,形成合适的控制量对驱动电机进行控制。 赛道信息采集模块:该模块相当于智能车的“眼睛”,主要负责采集小车所处位置当前或前面的赛道信息,输出相应的信号供主控芯片处理。 速度检测模块:该
18、模块主要检测小车的当前速度,作为速度反馈传至控制 器,以实现速度的闭环控制。精准的速度检测,是实现准确控制小车速度的前提。 图 2.1 系统组成部分 距离检测模块:该模块主要完成测距功能,使小车检测到横断路障并绕过继续前行。 角度检测模块:该模块主要检测小车的当前角度,作为角度反馈传至控制器,以实现角度的闭环控制。精准的角度检测,是实现准确控制小车直立的前提。 转向控制模块:该部分主要作为小车方向控制执行机构,根据主控芯片输出的控制信号执行相应的转弯要求。 电机驱动模块:驱动电路是整个系统的重要组成部分,也是高效的算法得以实现的硬件基础。它主要作为控制电机转速的执行机构,要求能有很好加速6辅助
19、调试模块距离检测模块电机驱动模块速度检测模块转向控制模块赛道信息采集模块单片机控制模块角度检测模块电源管理模块 第二章 智能车设计分析和制动性能。 辅助调试模块:辅助调试模块用于构建一个良好的人车交互界面,如智能车调试时的一些重要信息的显示以及一些重要参数的设定等,主要在小车调试阶段使用。 2.3 方案论证2.3.1 传感器设计方案竞赛车模需要能够通过自动识别赛道中心线位置处由通有 20KHz2KHz, 100mA 交变电流的导线所产生的电磁场进行路径检测,我们选取最为传统的电磁感应线圈的方案。我们方案包括感应线圈、信号选频放大、整流与检测等几 个方面的电路设计。如图 2.2: 图 2.2 传
20、感器设计方案 2.3.2 H 桥式驱动实现方案的选择H 桥式驱动电路有多种解决方案,典型的有 MC33886、桥式驱动器 TD340 搭建H 桥电路以及四片IR2104S 搭建的H 桥电路。其中 MC33886 为内部集成MOSFET 的全桥驱动电路,使用简单方便,但经测试发现其驱动能力有限,使用时发热比较厉害。而采用 TD340 全桥驱动器外接 4 片 MOSFET 构成 H 桥驱动电路比较复杂。最终我们选用四片 IR2104S 来搭建电机驱动电路,电路简单,使用方便, 驱动能力强。 7 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告2.3.3 控制算法选择PID(比例-积分-微分)控制器由比例单
21、元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。PID 控制器本身是一种基于对“过去”、“现在”、和“未来” 信息估计的简单控制算法。具有原理简单;适应性强;鲁棒性强的优点。而 PD 控制在比例控制的基础上加入了微分控制,可以抑制振荡,加快收敛速度。不过,P、D 两个参数的设定较难,需要不断进行调试。经过实践测试,我们决定 在速度控制上选择 PI 算法,而在转向上选择使用 PD 算法。 2.3.4 速度控制对驱动电机的控制(即速度控制),要达到的目的就是在行使过程中,小车要有最有效的加速和减速机制。高效的加速算法使小车能在直道上高速行使, 而快速减速则保证了小车运行的稳定,流畅。为了精确控制速度
22、,对速度进行实时监控,我们还引入了闭环控制的思想,在硬件设计,增加了旋转编码器实 时采集速度信息。 8 第三章 智能车机械设计3.1 车模信息本届比赛电磁小车采用新型车模,为最大限度地对车模机械部分进行合理 改装,应先收集好 D 型车模各方面数据,具体数据如下: 3.1.1 模型车套装车架长 18cm,宽 20cm,高 6.5cm。如图 3.1模型车套装图 3.13.1.2 马达信息DC7.2V RS-380马达,空载转速15000r/min。 3.1.3 轮胎信息轮胎直径6.2cm,后轮宽3.0cm,使用高弹力EVA材料,增加摩擦力。3.2 车模机械结构3.2.1齿轮传动机构调整齿轮传动机构
23、对车模的驱动能力有很大的影响。齿轮传动部分安装位置的 不恰当,会大大增加电机驱动后轮的负载,从而影响到最终成绩。调整的原则 9 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告是:两传动齿轮轴保持平行, 齿轮间的配合间隙要合适,过松容易打坏齿轮,过紧又会增加传动阻力,白白浪费动力;传动部分要轻松、顺畅,容易转动,不 能有卡住或迟滞现象。判断齿轮传动是否调整好的一个依据是,听一下电机带动后轮空转时的声音。声音刺耳响亮,说明齿轮间的配合间隙过大,传动中有撞齿现象;声音闷而且有迟滞,则说明齿轮间的配合间隙过小,或者两齿轮轴不平行,电机负载 加大。调整好的齿轮传动噪音小,并且不会有碰撞类的杂音。3.3 车模结
24、构3.3.1 车模结构特点本智能车系统采用后轮驱动,前万向轮从动。使用前置单排电感及两个竖电感作为传感器检测赛道信息。电磁传感器置于小车底板、MCU 的扩展电路板电及源模块置于轮轴后方。整个小车重心偏后,有较好的稳定性。 3.3.2 系统电路板的固定及连接本组共用到 2 块外接电路板分别为电磁板、主板及驱动电路,且制作成了印制板,分别安装在车身中部和电机后方。 10 第四章 智能车硬件设计要实现智能车所需达到的比赛要求,核心是硬件电路系统。硬件电路系统 是智能车系统最基础的部分,软件系统也只有基于它才能实现。而在本文中不 仅要完成智能车的硬件电路设计,还要完成车辆引导线上所通的 20KHz 电
25、源的设计。车辆最终实现的目标是以最快的速度完成比赛,所以在硬件电路的设计 中不仅要追求系统的高效运行,也要追求系统的稳定运行。另外,为了便于排 查故障,电路系统的设计要简洁明了,能在较短时间内发现故障原因。除了电 路设计之外,还应综合考虑电路板在车模上的具体排布,及由此引起的重心变 化可能对小车性能造成的影响。模型车控制电路设计是车模控制设计中的基础环节。为保证电路可靠性, 我们按功能划分,将整个电路划分为:主控板接口电路,电磁传感器,转速检 测电路,电机驱动电路,电源电路几个部分。4.1 主控制器模块主控板电路以恩智浦公司提供的 32 位微处理器 MK66 为核心,主要包括时钟 电路、串口电
26、路、DAP 接口、供电电路、复位电路等。其中各个部分的功能如下: (1)时钟电路给单片机提供一个外接的 8MHZ 的石英晶振。(2)DAP 口让用户可以通过 DAP 头向单片机下载和调试程序。 (3)供电电路主要是给单片机提供+3.3V 电源。(4)复位电路是通过一个复位芯片在电压达到正常值时给单片机一个复位 信号。 11 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告4.2 电源管理模块全部硬件电路 的 电 源 由7.2V、2Ah 的可充电镍镉蓄电池提供。由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流容量各不相同,因此电源模块应该包含多个稳压电图 4.1 电源管理模块路,将充电电池电压转换成各个模
27、块所需要的电压。主要包括如下不同的电压。如图 4.1 4.2.1 +5V 电源模块+5V 电源是电源模块最重要的部分,因为核心模块及电磁传感器模块都工 作在这个电压下,另外旋转编码器等也是需要这个电压。对于+5V 电源部分,除了对性能上的严格要求外,同时电路板的空间和散 热问题也不得不加以考虑。电源调节器件通常使用最多的是线性稳压器件(如78xx 系列三端稳压器件)。虽然这种线性稳压器具有输出电压恒定或可调、稳压精度高的优点,但是由于 其线性调整工作方式在工作中会造成较大的“热损失”(其值为 V 压降I 负荷), 导致其电源利用率不高、工作效率低下,不易达到便携式设备对低功耗的要求。与线性稳压
28、器件相比,开关电源调节器以完全导通或关断的方式工作,通过 控制开关管的导通与截止时间,有效的减少工作中的“热损失”,保证了较高 的电源利用率。开关管的高频通断特性以及串联滤波电感的使用对来自于电源 的高频干扰具有较强的抑制作用。同时由于其低功耗特点,在进行电路板设计 时,可以减少散热片的体积和 PCB 板的面积,有时甚至不需要加装散热片,方便了电路设计与使用,但是由于其工作压降要求在 1.0V 以上,却限制了该类型12 第四章 智能车硬件设计开关电源在某些便携式移动设备上的使用。针对线性稳压电源与开关电源存在较高工作压降的问题使得这两类电源调 节器件不易广泛应用于便携式移动设备中,我们采用了一
29、种低压差线性电源芯 片 LM2940-5.0 以及 AMS1117-3.3 来作为智能车的电源调节器件,可保证电池电 压在+7V+5.1V 范围内变化时,输出稳定的 5V 及 3.3V 电压,显著的提高了电源的利用效率。LM2940-5.0 及 AMS1117-3.3 的电路连接如图 4.2 所示图 4.2 LM2940-5.0 及 AMS1117-3.3 电路连接图4.3 电机驱动控制车模的运动速度是车模控制的重要环节,这就必须使用 PWM 调速驱动电 路。 IR2104S 驱动一个半桥,结构更加简单,电路更加方便,其驱动电流较大, 完全可以满足小车运动的需要,而且电路简单有效,具有更高的集
30、成度和稳定性。 4.4 速度传感器模块为了使得赛车能够平稳地沿着赛道运行,需要控制车速,使赛车在急转弯 13 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告时速度不至过快而冲出赛道。通过控制驱动电机上的平均电压可以控制车速, 但是如果开环控制电机转速,会受很多因素影响,例如电池电压、电机传动摩 擦力、道路摩擦力等。这些因素会造成赛车运行不稳定。通过速度检测,对车 模速度进行闭环反馈控制,即可消除上述各种因素的影响,使得车模运行得更 稳定。此外,在记忆算法中为了记录道路信息,需要得到赛车运行距离,这也 可以通过车速检测来实现。4.4.1速度传感器的选型车速检测的方式有很多种,例如用测速发电机、转角编码
31、盘、反射式光电 检测、透射式光电检测和霍尔传感器检测。本车选择使用光电编码器来作为小 车的速度传感器。系统选用的是成都逐飞科技生产的Mini 512Z 增量式光电编码器。 该编码器提供两相输出,体积小,质量轻,线数多,能够满足实际的需要。另 外,专门选用了齿数较少的传动齿轮,有利于提高编码器与电机的转速比,使 相同速度下采到的脉冲数更多,有效提高了速度反馈的精度。但在安装编码器 时需要注意齿隙的配合,过紧可能会增加电机的负载,成为额外的阻力;过松 可能会打坏齿轮。14 第四章 智能车硬件设计4.5 距离传感器模块由于本届智能车赛道新增横断路障元素,本系统采用通过测距方式检测,记经过试验选取 t
32、of 激光测距传感器。 4.6 角度传感器模块为了使小车能够直立,我们采用陀螺仪模块。可以通过陀螺仪模块检测小车此时姿态。所使用的 MPU6050 采用的是 I2C 协议。 4.7 电磁传感器模块4.7.1设计原理(1)导线周围的电磁场根据麦克斯韦电磁场理论,交变电流会在周围产生交变的电磁场。智能汽 车竞赛使用路径导航的交流电流频率为 20kHz,产生的电磁波属于甚低频(VLF) 电磁波。甚低频频率范围处于工频和低频电磁破中间,为 3kHz30kHz,波长为 100km10km。如图 4.3 所示: 图 4.3 电流周围的电磁场示意图导线周围的电场和磁场,按照一定规律分布。通过检测相应的电磁场
33、的强 度和方向可以反过来获得距离导线的空间位置,这正是我们进行电磁导航的目 的。由于赛道导航电线和小车尺寸 l 远远小于电磁波的波长 ,电磁场辐射能量很小(如果天线的长度 l 远小于电磁波长,在施加交变电压后,电磁波辐射 15 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告功率正比于天线长度的四次方),所以能够感应到电磁波的能量非常小。我们 将导线周围变化的磁场近似缓变的磁场,按照检测静态磁场的方法获取导线周 围的磁场分布,从而进行位置检测。由毕奥-萨伐尔定律知:通有稳恒电流 I 长度为 L 的直导线周围会产生磁场,距离导线距离为 r 处 P 点的磁感应强度为: q2 m0 I()qsinqdm =
34、4 p10 TmAB =-7公式14prq01图4.4 直线电流的磁场由此得 B = m0 I (cosq - cosq ) ,对于无限长直电流来说,q = 0 ,q = p, 4pr1212B = m0 I则有4pr图4.5 无限长导线周围的磁场强度16 第四章 智能车硬件设计在上面示意图中,感应磁场的分布是以导线为轴的一系列的同心圆。圆上 的磁场强度大小相同,并随着距离导线的半径 r 增加成反比下降。(2)磁场检测方法 人类对于磁场的认识和检测起源很早,我国古代人民很早就通过天然磁铁 来感知地球磁场的方向,从而发明了指南针。但是对于磁场定量精确的测量以 及更多测量方法的发现还是在二十世纪初
35、期才得到了突飞猛进的进展。现在我们有很多测量磁场的方法,磁场传感器利用了物质与磁场之间的各 种物理效应:磁电效应(电磁感应、霍尔效应、磁致电阻效应)、磁机械效应、磁光效应、核磁共振、超导体与电子自旋量子力学效应。下面列出了一些测量 原理以及相应的传感器:(a)电磁感应磁场测量方法:电磁线磁场传感器,磁通门磁场传感器,磁阻 抗磁场传感器。(b) 霍尔效应磁场测量方法:半导体霍尔传感器、磁敏二极管,磁敏三极管。 (c) 各向异性电阻效应(AMR)磁场测量方法。 (d)载流子自旋相互作用磁场测量方法:自旋阀巨磁效应磁敏电阻、自旋阀 三极管磁场传感器、隧道磁致电阻效应磁敏电阻。(e) 超导量子干涉(S
36、QUID)磁场测量方法:SQUID 薄膜磁敏元件。(f) 光泵磁场测量方法:光泵磁场传感器。(g)质子磁进动磁场测量方法。(h)光导纤维磁场测量方法。 以上各种磁场测量方法所依据的原理各不相同,测量的磁场精度和范围相 差也很大。我们需要选择适合车模竞赛的检测方法,除了检测磁场的精度之外,还需要对于检测磁场的传感器的频率响应、尺寸、价格、功耗以及实现的难易 程度进行考虑。在下面所介绍的检测方法中,我们选取最为传统的电磁感应线圈的方案。 它具有原理简单、价格便宜、体积小(相对小)、频率响应快、电路实现简单 17 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告等特点。通电导线周围的磁场是一个矢量场,场的分
37、布如图 4.6 所示。如果在通电直 导线两边的周围竖直放置两个轴线相互垂直并位于与导线相垂直平面内的线 圈,则可以感应磁场向量的两个垂直分量,进而可以获得磁场的强度和方向。图 4.6 磁场分布图导线中的电流按一定规律变化时,导线周围的磁场也将发生变化,则线圈 中将感应出一定的电动势。 根据法拉第定律,线圈磁场传感器的内部感应电压E 与磁场 B(t) 、电磁线圈的圈数 N 、截面积 A 的关系有: E = (NA) (mm) dB(t) = - d F(t) 公式 20 rdtdt感应电动势的方向可以用楞次定律来确定。由于本设计中导线中通过的电流频率较低,为 20kHz,且线圈较小,令线圈 中心
38、到导线的距离为 r ,认为小范围内磁场分布是均匀的。再根据图 3 所示的 导线周围磁场分布规律,则线圈中感应电动势可近似为E = - dF(t) = k dI = k公式 3dtrdtr即线圈中感应电动势的大小正比于电流的变化率,反比于线圈中心到导线 的距离。其中常量 K 为与线圈摆放方法、线圈面积和一些物理常量有关的一个量,具体的感应电动势常量须实际测定来确定。4.7.2电路设计原理从上面检测原理可以知道,测量磁场核心是检测线圈的感应电动势 E 的幅18 第四章 智能车硬件设计值。下面将从感应线圈、信号选频放大、整流与检测等几个方面讨论电路设计 的问题,最后给出电路设计系统框图和实际电路。(
39、1)感应磁场线圈检测线圈可以自行绕制,也可以使用市场上能够比较方便购买的工字型 10mH 的电感。如图 4.7 所示。图4.7 几种10mh电感这类电感体积小,Q 值高,具有开放的磁芯,可以感应周围交变的磁场。如图4.8所示:图4.8 工字磁材电感(2)信号选频放大使用电感线圈可以对其周围的交变磁场感应出响应感应电动势。这个感应 电动势信号具有以下特点:a.信号弱:感应电压只有几十个毫伏。在检测幅值之前必须进行有效的放大, 放大倍数一般要大于 100 倍(40db)。 b.噪声多:一般环境下,周围存在着不同来源、不同变化频率的磁场。如表 19 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告4.1 所
40、示:表 4.1 典型的环境磁场强度范围比赛选择 20kHz 的交变磁场作为路径导航信号,在频谱上可以有效地避开周围其它磁场的干扰,因此信号放大需要进行选频放大,使得 20kHz 的信号能够有效的放大,并且去除其它干扰信号的影响。可以使用 LC现选频电路(带通电路),如图 4.9 所示:串并联电路来实图4.9 RLC并联谐振电路上述电路中,E 是感应线圈中的感应电动势,L 是感应线圈的电感量,20磁场环境 磁场性质 磁场强度(高斯) 家用电器周围一米范围 50Hz10-3-10-2地表面地球磁场 恒定 0.2-0.5工业电机和电缆周围十 米范围 50Hz1-100长波通讯 30KHz10-6-1
41、0-3赛道中心导线周围 0.5米范围 20KHz10-4-10-2 第四章 智能车硬件设计1R0 是电感的内阻,C 是并联谐振电容。上述电路谐振频率为:f0 = 。2p LC已知感应电动势的频率0 f = 20kHz ,感应线圈电感为L =10mH ,可以计 算出谐振电容的容量为:11c = 6.33 10-9 (F )公式 4(2pf )2 L(2p20 103 ) 10 10 -30通常在市场上可以购买到的标称电容与上述容值最为接近的电容为 6.8nF, 所以在实际电路中我们选用 6.8nF 的电容作为谐振电容。为了验证 RLC 选频电路的效果,我们对比了在有和没有谐振电容两种情况下的电感
42、输出的感应电压。 在导线中通有 20kHz2kHz ,100mA 方波电流,在距离导线 50mm 的上方放置垂直于导线的 10mH 电感,使用示波器测量输出电压波形。通过实验发现,增加有谐振电容之后,感应线圈两端输出感应 20KHz 电压信号不仅幅度增加了,而且其它干扰信号也非常小。这样无论导线中的电流波形是否为正弦波,由于 本身增加了谐振电容,所以除了基波信号之外的高次谐波均被滤波除掉,只有 基波 20kHz 信号能够发生谐振,输出总是 20KHz 正弦波。 为了能够更加准确测量感应电容式的电压,还需要将上述感应电压进一步 放大,一般情况下将电压峰峰值放大到 1-5V 左右,就可以进行幅度检
43、测,所以需要放大电路具有 100 倍左右的电压增益(40db)。最简单的设计可以只是用 一阶共射三极管放大电路就可以满足要求,如图 4.10 所示: 21 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告图4.10 单管共射交流放大电路(3)幅度测量测量放大后的感应电动势的幅值 E 可以有多种方法。最简单的方法就是使用二极管检波电路将交变的电压信号检波形成直流信号,然后再通过单片机的AD 采集获得正比于感应电压幅值的数值。如图 4.11 所示图4.11 倍压检波电路图 4.11 给出了倍压检波电路可以获得正比于交流电压信号峰峰值的直流信22 第四章 智能车硬件设计号。为了能够获得更大的动态范围,倍压检
44、波电路中的二极管推荐使用肖特基 二极管或者锗二极管。由于这类二极管的开启电压一般在 0.1-0.3V 左右,小于普通的硅二极管(0.7V),可以增加输出信号的动态范围和增加整体电路的灵敏度。实际上,可以不使用检波电路,而直接将上述单管放大电路中,三极管集 电极电压接入单片机的 AD 端口,使用单片机直接采样交变电压信号,如图 4.12所示: 图4.12 直接采集放大信号只要保证单片机的AD采集速率大于20kHz 的5-10倍,连续采集5-10 个周期的电压信号(大约100 数据左右),就可以直接从采集的数据中最大值 减去最小值获得信号的峰峰值。假设采集了128个数据: xi ,i=1,2,3.
45、128,计算信号的峰峰值Vp- p 可以有下式计算: 公式5上面计算计算方法由于只用应用了数据的最大值、最小值,所得结果23 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告容易受到噪声的影响,所以还可以通过计算数据交流信号的平均值、有效值反映信号的幅值:公式6根据以上分析,检测电路的框图如图4.13所示:图4.13 检测电路系统框图4.8 硬件电路PCB 设计一套设计合理的 PCB 板是系统稳定可靠运行的重要保障,本文采用的是电路设计软件 Altium Designer 进行各模块 PCB 板的开发。在开发的过程中还要特 别考虑到电磁兼容的问题。4.8.1 经典 EMC 理论电磁兼容就是指设备或系统
46、在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任 何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。骚扰源、耦合途径及敏感设备是电磁 干扰的三要素。经典 EMC 理论里两种最基本、最重要的理论就是被动组件的高 频隐藏特性及信号返回路径理论。24 第四章 智能车硬件设计在 PCB 中,许多被动组件在高频条件下特性会有所改变,表 4.2 展示了四 种最基本被动组件的高频隐藏特性。表 4.2 四种最基本被动组件的高频隐藏特性由表可知,高频情况下四种基本器件的特性均有所改变,而其同的特 点是隐藏的电感特性在高频下均体现了出来。可以看出,高频条件下的感抗问 题是 EMC 设计必须处理好的问题。 所谓信号返回理论是指信号在传输
47、时,信号的流向是从驱动器沿 PCB 传输线到负载,再由负载沿着地或电源通过最短路径返回驱动器端。这个在地或电 源上的返回信号就称信号返回路径。实际上,高频信号的传输就是对传输线与 直流层之间包夹的介质电容充电的过程。无论什么信号都必然有其返回路径, 并且信号总是以感抗最小 的路径回流。如果电路中没有去耦电容,信号的回流就需要多走很长的距离才能返回源端,根据电磁感应,这段距离会大大增加串 扰和 EMC 问题。因此,在设计 PCB 板的时候,需要精心布局、布线以保证信号的最小返回路径。4.8.2 系统 PCB 设计简介PCB 设计过程如下:首先仔细检查电路原理图的正确性,在确定没有原理性错误后进行
48、电气特性检查,确保一切无误后根据此原理图生成相应的 PCB 文件。然后根据所需要的尺寸在机械层和禁止布线层上画出PCB 板的形状。PCB板的形状尺寸与智能汽车底盘的形状相匹配,在合适的位置放置孔以便将 PCB 板固定在底盘的支架上。将所有的元件按照功能模块的不同分别摆放在 PCB 板25被动组件 等效高频特性 导线 电阻两端与电感串联 电阻 电阻与电容并联后,两端与电感串联,即谐振特性 电容 电容两端和电阻及电感串联 电感 电容和电感并联,两端与电阻串联 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告上的不同区域,摆放时尽量使单片机最小系统居于中间,其他模块围绕单片机 放置,数字信号模块与模拟信号模
49、块分开的原则。主要元件摆放好后,将主要 元件的外围电路期间围绕主要元件排布。元件应摆放得整齐紧密充分利用板上 的空间,并避免电解电容等高度较高的元件与子板相冲突。元件排布确定后, 就可以制定布线规则并开始布线了。布线规则主要需要设置线宽、过孔尺寸、 安全距离以及导线转角类型。系统采用的一般信号线的宽度为 20mil,电源和地线 以及电机驱动线的宽度则要大得多。信号线的拐角避免直角和锐角,因为在直 角和锐角处导线的阻抗会不平均,从而影响电气性能。相邻导线间距必须能满 足电气安全要求,设计时普通安全距离采用10mil,敷铜的安全间距设置为20mil。 PCB 布线,最好采用手动布线,因为手动布线可
50、以保证电源和地线走线的有序, 并使重要的信号线避开干扰大的器件,保证信号质量。 26 第五章 智能车软件设计5.1 输入量检测与计算5.1.1 车速检测车速检测采用旋转编码器方案,将编码器输出接入单片机 PTE0、PTE7 口, 采用内部脉冲累加器计数,采用 PIT 定时 5ms 来读取脉冲累加器数值,从而计 算出车子当前速度。 5.1.2 小车位置检测由于传感器制造工艺的不同,每个传感器存在一定的差异,且同一个传感器在不同环境中的特性也会不同。所以,在正式跑车之前,必须对传感器进行参数自整定。 5.2 道路信息采集策略如图 5.1 为小车的简单控制流程图 直道:由线圈中感应出来的电动势大小、
51、方向是否相等来判断是否应该调整小车的方向。 (磁通量、电动势) 弯道:两边的线圈感应出的图 5.1 小车总体控制流程图电动势是不同的,弧线内侧线圈的感应电动势大于弧线外侧线圈的,据此信号 可以引导小车拐弯。 交叉路线:经过实践发现不用处理就可通过交叉线。27 第十四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告环岛:电感检测圆环标志,打角进环,再做相应出环处理即可通过。横断:测距传感器检测到之后进行路径切换即可。停车:采用摄像头识别停车线5.3 策略与控制量计算控制器是控制系统的核心部件,控制算法的好坏直接决定了车模的性能。 车模控制中,转向控制是车模寻线前进的基础,而车速控制则是提高比赛成绩的关键。两者
52、缺一不可。 5.3.1 转向控制(PD)转向控制采用了位置和角度PD控制相结合的控制方法。比例控制(P量):位置控制中的比例控制采用了分段比例控制,位置较小 时与位置较大时设置不同的比例带,原因是传感器宽度有限,检测的位置范围也就有限,统一的比例带过大会导致小车振荡,过小导致最大控制量偏小,小车转向不足,过弯时冲出赛道。使用分段比例控制既方便又可以解决以上两种 问题。 微分控制(D量):传感器输出模拟量的情况下检测的位置连续性较好,因此不再需要不完全微分的PD控制,用一般形式的位置微分控制即可达到很好的效果。由于比例带过小造成小车振荡时,适当增加微分控制;振荡频率较高时则应该减小微分控制,因为
53、此时D控制量过大。此外,加大微分控制可以避免小车的速度影响车身在拐弯处的拐角,使小车稳定性和跟随性变好,防止冲出赛 道。 5.3.2车速控制(PID)对于车速的控制,我们采用闭环控制,控制量由控制器输出,而速度反馈量由旋转编码器测得。给定量是根据当前传感器的检测到黑线的位置给出的, 我们选择了采取手动设定的方式给定。再通过一定车速调节算法使得使电机的 实际速度尽可能快的接近给定速度。 PID控制算法:PID控制是比例积分微分控制的简称,就是对误差信号(采样 信号与给定信号的差)通过比例,积分,微分的运算后的结果作为输出控制信号, 来控制所要控制的对象。在生产过程自动控制的发展历程中,PID控制
54、是历史最 30 第五章 智能车软件设计久,生命力最强的基本控制方式。PID控制器本身是一种基于对“过去”、“现在”、 和“未来”信息估计的简单控制算法。其优点:原理简单;适应性强;鲁棒性强。上一周期占空比 输出赛道类型速度给定增量式 PID 控制限幅输出对象测速编码器图 5.2 小车实际速度控制框图如图 5.2 为智能车实际速度控制策略框图 在智能车系统中,为了减少系统的运算量,增加控制的实时性,通过对参数 Kp、Ki、Kd 进行调整,对实测曲线收敛性进行分析,找到合适的控制参数。5.3.3直立控制(PD)即通过控制两个电机正反向运动保持车模直立状态。这部分是软件设计中最基础、最重要的环节。我们
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